Sökandet efter liv bortom jorden driver på en våg av kreativitet och innovation. Efter en guldrush för upptäckt av exoplaneter under de senaste två decennierna, det är dags att ta itu med nästa steg:att avgöra vilka av de kända exoplaneterna som är lämpliga kandidater för livet.

Forskare från NASA och två universitet presenterade nya resultat dedikerade till denna uppgift inom områden som spänner över astrofysik, geovetenskap, heliofysik och planetarisk vetenskap – som visar hur ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt är avgörande för att hitta liv på andra världar – vid höstmötet för American Geophysical Union den 13 december, 2017, i New Orleans, Louisiana.

"De potentiellt beboeliga fastigheterna i universum har expanderat kraftigt, " sa Giada Arney, en astrobiolog vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi känner nu till tusentals exoplaneter, men vad vi vet om dem är begränsat eftersom vi ännu inte kan se dem direkt."

För närvarande, forskare förlitar sig mest på indirekta metoder för att identifiera och studera exoplaneter; sådana metoder kan berätta för dem om en planet är jordliknande eller hur nära den är sin moderstjärna. Men detta är ännu inte tillräckligt för att säga om en planet verkligen är beboelig, eller lämplig för livet – för detta, forskare måste i slutändan kunna observera exoplaneter direkt.

Direktavbildningsinstrument och uppdragsdesigner pågår, men under tiden, Arney förklarade, forskare gör framsteg med verktyg som redan finns till deras förfogande. De bygger beräkningsmodeller för att simulera hur beboeliga planeter kan se ut och hur de skulle interagera med sina moderstjärnor. För att validera sina modeller, de tittar på planeter i vårt eget solsystem, som analoger till de exoplaneter vi en dag kan upptäcka. Detta, självklart, inkluderar jorden själv – den planet vi känner bäst, och den enda vi känner till ännu som är beboelig.

"I vår strävan efter liv i andra världar, det är viktigt för forskare att överväga exoplaneter från en holistisk mening – det vill säga, ur flera discipliners perspektiv, ", sa Arney. "Vi behöver dessa multidisciplinära studier för att undersöka exoplaneter som de komplexa världar som formas av flera astrofysiska, planetära och stjärnprocesser, snarare än bara avlägsna punkter på himlen."

Studerar jorden som en exoplanet

När människor börjar samla de första direkta bilderna av exoplaneter, även den närmaste bilden visas som en handfull pixlar. Vad kan vi lära oss om planetariskt liv från bara en liten bit av pixlar?

Stephen Kane, en exoplanetexpert vid University of California, Riverside, har kommit på ett sätt att svara på den frågan med hjälp av NASA:s Earth Polychromatic Imaging Camera ombord på National Oceanic and Atmospheric Administrations Deep Space Climate Observatory, eller DSCOVR. Kane förklarade att han och hans kollegor tar DSCOVRs högupplösta bilder - vanligtvis används för att dokumentera jordens globala vädermönster och andra klimatrelaterade händelser - och försämrar dem till bilder som bara är några pixlar i storlek. Kane kör DSCOVR-bilderna genom ett brusfilter som försöker simulera störningarna som förväntas från ett exoplanetuppdrag.

"Från bara en handfull pixlar, vi försöker extrahera så mycket information vi vet om jorden som vi kan, " Sa Kane. "Om vi ​​kan göra det exakt för jorden, vi kan göra detta för planeter runt andra stjärnor."

DSCOVR tar en bild varje halvtimme och den har varit i omloppsbana i två år. Det är mer än 30, 000 bilder är den överlägset längsta kontinuerliga registreringen av fulldiskobservationer från rymden som finns. Genom att observera hur ljusstyrkan på jorden förändras när mestadels land syns jämfört med mestadels vatten, Kane har kunnat omvända jordens albedo, snedhet, rotationshastighet och till och med säsongsvariation – något som ännu inte har mätts direkt för exoplaneter – som alla potentiellt kan påverka en planets förmåga att försörja liv.

Söker efter andra venusor

På samma sätt som forskare använder jorden som en fallstudie för beboeliga planeter, de använder också planeter inom solsystemet – och därför planeter de är mer bekanta med – som studier för vad som gör planeter obeboeliga.

Kane studerar också jordens systerplanet, Venus, där ytan är 850 grader Fahrenheit och atmosfären – fylld med svavelsyra – myrar ner på ytan med 90 gånger så högt tryck som jordens. Eftersom jorden och Venus är så nära i storlek och ändå så olika när det gäller deras utsikter för beboelighet, han är intresserad av att utveckla metoder för att särskilja jord- och venusanaloger i andra planetsystem, som ett sätt att identifiera potentiellt beboeliga terrestra planeter.

Kane förklarade att han arbetar för att identifiera Venus-analoger i data från NASAs Kepler genom att definiera "Venuszonen, "där planetarisk insolering - hur mycket ljus en given planet får från sin värdstjärna - spelar en nyckelroll i atmosfärisk erosion och växthusgascykler.

"Jordens och Venus öde och deras atmosfärer är knutna till varandra, " Sa Kane. "Genom att söka efter liknande planeter, vi försöker förstå deras utveckling, och i slutändan hur ofta utvecklande planeter hamnar i ett Venus-liknande helvete."

Modellera Star-Planet-interaktioner

Medan Kane pratade om planeter, Goddards rymdforskare Katherine Garcia-Sage fokuserade på hur planeter interagerar med sin värdstjärna. Forskare måste också överväga hur egenskaperna hos en värdstjärna och en planets elektromagnetiska miljö - vilket kan skydda den från hård stjärnstrålning - antingen hindrar eller hjälper beboelighet. Jordens magnetfält, till exempel, skyddar atmosfären från den hårda solvinden, solens ständiga utflöde av laddat solmaterial, som kan avlägsna atmosfäriska gaser i en process som kallas jonosfärisk flykt.

Garcia-Sage beskrev forskning om Proxima b, en exoplanet som är fyra ljusår bort och känd för att existera inom den beboeliga zonen för sin röda dvärgstjärna, Proxima Centauri. Men bara för att det är i den beboeliga zonen – på rätt avstånd från en stjärna där vatten kan samlas på en planets yta – betyder det inte nödvändigtvis att den är beboelig.

Medan forskare ännu inte kan säga om Proxima b är magnetiserat, de kan använda beräkningsmodeller för att simulera hur väl ett jordliknande magnetfält skulle skydda sin atmosfär vid exoplanetens nära omloppsbana till Proxima Centauri, som ofta producerar våldsamma stjärnstormar. Effekterna av sådana stormar på en given planets rymdmiljö kallas gemensamt för rymdväder.

"Vi måste förstå en planets rymdvädermiljö för att förstå om en planet är beboelig, ", sa Garcia-Sage. "Om stjärnan är för aktiv, det kan äventyra en atmosfär, som är nödvändigt för att tillhandahålla flytande vatten. Men det finns en fin linje:Det finns en indikation på att strålning från en stjärna kan producera byggstenar för livet."

En röd dvärgstjärna - en av de vanligaste typerna av stjärnor i vår galax - som Proxima Centauri tar bort atmosfären när extrem ultraviolett strålning joniserar atmosfäriska gaser, producerar en sträng av elektriskt laddade partiklar som kan strömma ut i rymden längs magnetfältslinjer.

Forskarna beräknade hur mycket strålning Proxima Centauri producerar i genomsnitt, baserat på observationer från NASA:s Chandra X-ray Observatory. Vid Proxima b:s omloppsbana, forskarna fann att deras jordliknande planet stötte på anfall av extrem ultraviolett strålning hundratals gånger större än jorden gör från solen.

Garcia-Sage och hennes kollegor designade en datormodell för att studera om en jordliknande planet - med jordens atmosfär, magnetfält och gravitation – i Proxima b:s omloppsbana kunde hålla fast vid dess atmosfär. De undersökte tre faktorer som driver jonosfärisk flykt:stjärnstrålning, temperaturen i den neutrala atmosfären, och storleken på polarkepsen, den region över vilken rymningen sker.

Forskarna visar att med de extrema förhållanden som sannolikt finns vid Proxima b, planeten kan förlora en mängd som motsvarar hela jordens atmosfär om 100 miljoner år – bara en bråkdel av Proxima b:s 4 miljarder år hittills. Även i bästa fall, så mycket massa flyr över 2 miljarder år, väl inom planetens livstid.

Mars, ett laboratorium för att studera exoplaneter

Medan Garcia-Sage talade om magnetiserade planeter, David Brain, planetforskare vid University of Colorado, Flyttblock, talade om Mars – en planet utan magnetfält.

"Mars är ett bra laboratorium för att tänka på exoplaneter, Brain sa. "Vi kan använda Mars för att begränsa vårt tänkande om en mängd steniga exoplaneter där vi inte har några observationer ännu."

Hjärnans forskning använder observationer från NASA:s Mars Atmosphere och Volatile Evolution, eller MAVEN, uppdrag att ställa frågan:Hur skulle Mars ha utvecklats om den kretsade runt en annan typ av stjärna? Svaret ger information om hur steniga planeter – inte olikt våra egna – kan utvecklas olika i olika situationer.

Man tror att Mars en gång bar vatten och en atmosfär som kan ha gjort det gästvänligt för jordliknande liv. Men Mars förlorade mycket av sin atmosfär över tiden genom en mängd olika kemiska och fysikaliska processer - MAVEN har observerat liknande atmosfärisk förlust på planeten sedan lanseringen i slutet av 2013.

Hjärna, en MAVEN medutredare, och hans kollegor tillämpade MAVENs insikter på en hypotetisk simulering av en Marsliknande planet som kretsar kring en stjärna av M-klass – allmänt känd som en röd dvärgstjärna. I denna imaginära situation, planeten skulle ta emot ungefär fem till tio gånger mer ultraviolett strålning än den verkliga Mars gör, vilket i sin tur påskyndar atmosfärisk utrymning till mycket högre hastigheter. Deras beräkningar tyder på att planetens atmosfär kan förlora tre till fem gånger så många laddade partiklar och ungefär fem till tio gånger fler neutrala partiklar.

En sådan hastighet av atmosfärisk förlust tyder på att kretslopp vid kanten av den beboeliga zonen av en tyst M-klass stjärna, istället för vår sol, skulle kunna förkorta den beboeliga perioden för planeten med en faktor på fem till 20.

"Men jag skulle inte ge upp hoppet om steniga planeter som kretsar kring M dvärgar, "Sade hjärnan. "Vi valde ett värsta scenario. Mars är en liten planet, och saknar ett magnetfält så solvinden kan mer effektivt ta bort dess atmosfär. Vi valde också en Mars som inte är geologiskt aktiv, så det finns ingen intern källa till atmosfär. Om du ändrade någon faktor, en sådan planet kan vara en lyckligare plats."

Var och en av dessa studier bidrar bara med en bit till ett mycket större pussel – för att avgöra vilka egenskaper vi ska leta efter, och behöver känna igen, i sökandet efter en planet som kan försörja liv. Tillsammans, sådan tvärvetenskaplig forskning lägger grunden för att säkerställa att allt eftersom nya uppdrag för att observera exoplaneter tydligare utvecklas, vi kommer att vara redo att avgöra om de bara kan vara värd för livet.